Розділ ІІ. Сучасні комп’ютери та комп’ютерні технології

Тема 5. Персональні електронно-обчислювальні машини (ПЕОМ)

Комп’ютер – computer –машина, здатна виконувати, як мінімум, три функції: сприймати інформацію, що вводиться, у структурованому вигляді, обробляти її за заздалегідь заданими правилами та видавати результати. Говорячи більш загально, комп’ютер– це пристрій для перетворення (обробки) інформації з однієї форми в іншу [Сущук, 1999].

У найбільш узагальненій фізичній моделі ми говоримо про апаратну та програмну частини комп’ютера. Апаратне забезпечення (hardware)– це системний блок та все, що знаходиться всередині, а також монітор, принтер, мишка, зовнішній модем і таке інше, апрограмне забезпечення (software) – це всі програми, що встановлені на комп’ютері

Комп’ютерна система - це сукупність апаратних та програмних ком­понентів, що здатна виконати безліч потрібних нам функцій, – наприклад, створити та підготувати до друку якийсь документ. Для цього необхідно ввести текст документу за допомогою клавіатури (периферійного пристрої вводу), перенести текст у пам’ять комп’ютера. Потім необхідно відредагувати текст та зробити його верстку у якомусь текстовому редакторі, тобто додати до документа контекст, формат тощо, за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення; надрукувати документ на принтері (периферійному пристрої виводу). Обробка (перетворення) інформації відбувається в самому серці комп’ютера – у процесорі та пам’яті довільної вибірки(або ОЗП, оперативний запам’ятовуючий пристрій – RAM, Random Access Memory), а згодом запам’ятовується (записується) на магнітному носії. Далі текст документа виводиться на периферію – на принтер, де й набуває вигляд, як кажуть у даному випадку, “твердої копії” (hardcopy).

Отже для виконання цього нескладного завдання необхідною була взаємодія кількох десятків комп’ютерних пристроїв різної будови і призначення та спеціалізованих програм програмного забезпечення, тобто тісної взаємодії апаратних та програмних складових частин комп’ютерної системи. При цьому вони розуміли одне одного, тобто “спілкувалися” між собою, на своїй мові.

Тепер з приводу термінології, прийнятої у цьому посібнику. Взагалі то, класичним у міжнародній практиці, з багатьох позначень, які вживаються до пристрою, що є предметом цього розділу, є позначення комп’ютер. Історично ж склалося так, що перший пристрій такого призначення було спроектовано і виготовлено в СРСР (а точніше в Українській РСР). Природно, що позначено пристрій було не іноземним терміном „комп’ютер”, а російським - „Электронная вычислительная машина”, або українським - „Електронна обчислювальна машина”. Кожне слово у цій назві має своє значення. Електронна – бо вже не механічна, як, скажімо, арифмометр. Обчислювальна – бо основою її роботи є виконання арифметичних і логічних операцій, які виконуються методами машинного обчислення. І, нарешті, машина – бо не тварина (не людина). Виходячи з цих міркувань, можна зробити висновок, що назва ЕОМ не втратила своєї актуальності і на цей час. Єдине, що в ній змінилося з того часу, так це те, що назва ЕОМ усе частіше трансформується у назву ПЕОМ, тобто до назви ЕОМ додалося слово персональна. Ця зміна є також неформальною і стосується, скоріше, не розмірів комп’ютера (на зорі свого існування він займав приміщення до сотні квадратних метрів, а тепер уміщується на робочому столі, при незрівнянно більших технічних можливостях), а способів обслуговування. Якщо раніше обслуговуючий персонал ЕОМ складав декілька осіб різних спеціалізацій (табуляторщики, оператори, програмісти, інженери-механіки тощо), які працювали у три зміни, то тепер одна людина – користувач – частіше за усе і обслуговує, і використовує ЕОМ. Тобто, ЕОМ стала (у більшості випадків) ПЕОМ.

5.1. Архітектура сучасних ПЕОМ

Архітектура ПЕОМ представляє собою загальну конфігурацію основних компонент, їх основні можливості, а також зв’язки між ними (див. додаток 2).

Загальна архітектура включає:

· центральний процесор (ЦП);

· логіку управління системним інтерфейсом;

· систему синхронізації;

· оперативну пам’ять (ОП);

· підсистему вводу-виводу (ПВВ);

· системний інтерфейс (СІН).

1. Центральний процесор – мікропроцесор, який дешифрує команди і управляє усім ходом обчислень і управління ПЕОМ. Він же виконує усі логічні і математичні операції.

2. Система синхронізації формує одну або кілька послідовностей імпульсів які необхідні для синхронізації дій процесора і логіки управління системним інтерфейсом.

Центральний процесор, блоки логіки та синхронізації звичайно монтуються на кристалі мікропроцесора.

3. Оперативна пам’ять потрібна для зберігання команд і даних, які використовує ЦП. Вона складається з декількох модулів. ЦП послідовно вибирає команди з ОП і виконує визначені ними дії по обробці чи управлінню.

4.Підсистема вводу-виводу (ПВВ)складається з різних пристроїв, призначених для взаємодії з зовнішнім середовищем і зберігання великих обсягів інформації. Деякі ПВВ призначені тільки для вводу інформації (клавіатура, миша) або тільки для виводу інформації (принтер, графічні побудовники). Деякі ПВВ допускають як ввід так і вивід інформації (накопичувачі на гнучких (НГДМ), жорстких дисках (НЖДМ), лазерних дисках (СД), іноді дисплей та ін.).

Найбільш розповсюдженою комплектацією ПЕОМ пристроями вводу-виводу є: клавіатура, миша, дисплей, принтер, сканер, НГДМ, НЖДМ, СД-R.

5.Системний інтерфейс (СІН)представляє собою сукупність провідників (жмут проводів), що з’єднують ЦП, ОП та ПВВ або кілька лінійок на друкованій платі. Провідники об’єднуються у три великі групи:

1) лінії даних для передачі інформації;

2) лінії адреси, які вказують куди і звідки передається інформація;

3) лінії управління, що визначають алгоритм функціонування СІН.

Схеми підключення СІН до пристроїв називаються інтерфейсами, а логіка управління СІН утворює інтерфейс ЦП і частково розміщується на кристалі ЦП.

Інтерфейси ОП в основному утворюють схеми дешифрування адрес клітинок (чарунок) пам’яті і буферизації даних на (із) СІН, а також виконують операції зчитування та запису.

Інтерфейси вводу-виводу утворюють схеми буферизації даних, приймають накази від ЦП і передають в ЦП інформацію про стан підключених ПВВ. Крім того інтерфейси зовнішньої пам’яті взаємодіють безпосередньо (напряму) з ОП. Взаємодія між інтерфейсом вводу-виводу і шиною даних СІН здійснюється через спеціальні регістри, які називаються портами вводу виводу.

5.2. Процесор

Швидкість дії ЦП (швидкість роботи сучасних ЦП) для операцій регістр-регістр складає близько мільярду операцій в секунду, але, скажімо, в Бейсик-командах значно менше.

Число Бейсик-команд, що виконуються в секунду можна підрахувати за допомогою такої програми:

10 М=10000

30 T1=TIMER

40 FOR A=1 TO M: А=А+1: NEXT

50 T2=TIMER: T=T2-T1: С=М/Т

60 PRINT M, T, С

Швидкість сучасних ПЕОМ складає близько 10000 Бейсик-команд в секунду.

5.3. Пам’ять

В загальному випадку пам’ять ПЕОМ складається з зовнішньої пам’яті (ЗП) та оперативної пам’яті (ОП), до якої ЦП може звертатися за вибіркою або з записом інформації. Доступ до інформації з ЗП ЦП може одержати тільки з транзитною пересилкою її через ОП.

5.3.1. Оперативна пам’ять (ОП)

Якщо з пам’яті можна тільки зчитувати інформацію, то вона називається постійним запам’ятовуючим пристроєм (ПЗП), а якщо вона допускає читання та запис, то її називають пам’яттю із записом та зчитуванням. В сучасних ПЕОМ така пам’ять виконується з можливістю довільного доступу до будь-якої її клітинки (чарунки) одночасно. Частина пам’яті, що допускає довільний доступ, і запис і зчитування інформації називається запам’ятовуючим пристроєм з довільним доступом (ЗПДД).

Тобто, ОП складається з ПЗП і ЗПДД. До складу модуля пам’яті входять: інтерфейс і набір мікросхем пам’яті, кожна з яких має у своєму складі масив запам’ятовуючих елементів.

Логічна структура ЗПДД визначається функціонуючим на ПЕОМ системним програмним забезпеченням і не є фіксованою. На відміну від цього ПЗП допускає тільки зчитування інформації і його вміст не можна змінити без спеціального обладнання. Модулі ПЗП необхідні для зберігання ядра операційної системи: програми ініціалізації системи і початкового завантаження драйверів базової системи, драйверів зовнішніх пристроїв. Це дозволяє здійснювати автоматичне завантаження операційної системи (ОС) при підключенні ПЕОМ до електричної мережі, а також значно скоротити час обслуговування найбільш важливих і часто використовуваних запитів користувача і системи.

Обсяг ПЗП малий у порівнянні з ЗПДД.

Зовнішня пам’ять

Зовнішня пам’ять призначена для тривалого зберігання програм і даних. Така інформація в зовнішній пам’яті зберігається при виключеній ПЕОМ. Обсяг зовнішньої пам’яті ПЕОМ значно більший за обсяг внутрішньої пам’яті, але вона суттєво поступається внутрішній пам’яті щодо швидкості запису та зчитування інформації.

Звичайно зовнішня пам’ять реалізується у вигляді накопичувачів на магнітних та оптичних дисках, кожний з яких використовується зі своїм контролером. На цей час використовують два види магнітних накопичувачів: накопичувачі на гнучких магнітних дисках (НГМД) і накопичувачі на жорстких магнітних дисках (НЖДМ), які ще називають вінчестерами. В НГДМ дискету можна виймати з накопичувача і замінювати на іншу. Фізичного доступу до дисків вінчестера нема. Їх перевагами порівняно з дискетами полягають у тому, що вони зберігають величезні об’єми інформації. Сучасні дискети НГДМ мають об’єм до 2,8 мегабайт. Сучасні накопичувачі НЖДМ мають об’єм сотні гігабайт.

Оптичні (лазерні) диски називають компакт-дисками (або дисками типу СD). Найпоширенішими є диски “тільки для читання”, тобто диски CD-ROM. Інформація на такі диски записується не тільки на ПЕОМ комп’ютера, а й за допомогою спеціальної апаратури. Сучасні диски CD-ROM мають об’єм пам’яті сотні мегабайт. Великі обсяги інформації, які розміщуються на оптичних дисках, дозволяють створювати на них електронні книги, які стають дедалі популярнішими. Зараз випускаються оптичні диски, які допускають багаторазовий запис і стирання інформації на ПЕОМ із застосуванням спеціального CD накопичувача.

Крім розглянутих типів зовнішніх запам’ятовуючих пристроїв є ще накопичувачі на магнітних стрічках касетного типу (так звані стримери) місткістю до 250 Мбайт, магнітооптичні диски та ін. Але ці типи запам’ятовуючих пристроїв використовують зараз у ПЕОМ рідко.

Мал. 5.3.2.1.

5.4. Системний інтерфейс (СІН)

Системний інтерфейс представляє собою набір проводів, призначених для передачі інформації між основними компонентами ПЕОМ. В ньому виділяють три шини:

1) управління;

2) адреси;

3) даних.

Ці шини пов’язані з інтерфейсами ОП і ПВВ.

Основні характеристики СІН формалізуються і створюють так званий стандарт СІН. Усі виробники ПЕОМ повинні проектувати ПЕОМ і окремі пристрої з урахуванням загально прийнятого стандарту СІН для забезпечення сумісності.

5.5. Система вводу-виводу

Усі ПВВ підключаються до СІН через свої інтерфейси. Кожний інтерфейс має свій набір регістрів, так звані порти вводу-виводу, через які ЦП і ОП взаємодіють з ПВВ при обміні інформацією. Одні порти призначені для буферизації даних, інші – для збереження інформації про стан ПВВ і його інтерфейсу, яку тримає на контролі, перевіряючи її ЦП, а треті – для одержання наказів від ЦП, якими управляються ПВВ та його інтерфейси. Усі взаємодії з ПВВ здійснюються через порти вводу-виводу в його інтерфейсі.

Вивід сигналів в керуючий або буферний порт здійснюється видачею адреси на шину адреси і відповідних сигналів на шину управління СІН з подальшою видачею даних на шину даних СІН. Ввід інформації з вхідного порту реалізується видачею адреси і керуючих сигналів на відповідні шини СІН, очікуванням реакції інтерфейсу ПВВ, видачею вмісту адресованого порту на шину даних СІН. Треба застерегти, що адреса асоціює не з інтерфейсами ПВВ, а з портами вводу-виводу. Так, якщо інтерфейс ПВВ має два порти вводу виводу, то він повинен сприймати дві різні адреси вводу-виводу.

5.6. Техніка безпеки при роботі з ПК

Приступаючи до роботи з ПК, необхідно завжди пам'ятати, що це дуже складна і дорога апаратура, яка потребує акуратного і обережного ставлення до неї, високої самодисципліни на всіх етапах роботи з комп'ютером.

Напруга живлення ПК (220 В) є небезпечною для життя людини. Через це в конструкції блоків комп'ютера, міжблочних з'єднувальних кабелів передбачена достатньо надійна ізоляція від струмопровідних ділянок. Користувач практично має справу лише з декількома вимикачами живлення і, здавалось би, застрахований від ураження електричним струмом. Однак в практичній роботі можуть зустрічатись непередбачені ситуації, і щоб вони не стали небезпечними для користувача, необхідно знати та чітко виконувати ряд правил техніки безпеки. Це допоможе не тільки уникнути нещасних випадків і зберегти здоров'я, але й гарантує збереження апаратури.

Особливо уважним треба бути при роботі з дисплеєм, електронно-променева трубка якого використовує високу напругу і є джерелом електромагнітного випромінювання. Неправильне поводження з дисплеєм та іншою електронною апаратурою може призвести до тяжких уражень електричним струмом, спричинити загоряння апаратури. Через це суворо ЗАБОРОНЯЄТЬСЯ:

· торкатися до екрана і тильного боку дисплея, проводів живлення і пристроїв заземлення, з'єднувальних кабелів;

· порушувати порядок ввімкнення й вимкнення апаратурних блоків;

· намагатись самостійно усунути виявлену несправність в роботі апаратури;

· класти на апаратуру сторонні предмети;

· працювати на комп'ютері у вологому одязі і з вологими руками.

В разі появи запаху горілого, незвичайних звуків або самовільного вимкнення апаратури треба негайно вимкнути комп'ютер і повідомити про це викладача.

Робота на комп'ютері потребує постійної уваги, чітких дій і самоконтролю. Через це на комп'ютері не можна працювати при недостатньому освітленні, високому рівні шуму.

Під час роботи на комп'ютері НЕОБХІДНО:

· суворо дотримуватись положень інструкції з експлуатації апаратури;

· уважно слідкувати за справністю основних блоків і пристроїв;

· працювати на клавіатурі чистими сухими руками, не натискувати на ті чи інші клавіші без потреби або навмання;

· працюючи з дискетами, оберігати їх від ударів, деформації, дії магнітного поля або тепла, не торкатись дискети, яка виступає з конверта, вставляти дискету в дисковід тільки після його ввімкнення, переконавшись в правильному орієнтуванні дискети відносно щілини дисковода;

· під час перерви в роботі вимикати комп'ютер лише в тому разі, коли обробку поточної інформації завершено і вміст оперативної пам'яті занесено на магнітні диски (в противному випадку неминуча втрата інформації).

Під час роботи комп'ютера електронно-променева трубка дисплея є джерелом електромагнітного випромінювання, яке при роботі близько від екрана руйнує зір, викликає втому і знижує працездатність. Через це треба працювати на відстані 60-70 см від екрана, дотримуватись правильної постави, не сутулячись і не нахиляючись.

Пам'ятайте, що тривала робота на комп'ютері призводить до перенапруження зору, через це тривалість безперервної роботи для дітей не повинна перевищувати 25 хв.